Lịch sử phát triển của Đo và điều khiển công nghiệp

HỆ THỐNG ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN CÔNG NGHIỆP
1
1/14/2015
BÀI GIẢNG
Nguyễn Thị Huế
Bộ môn Kĩ thuật đo và Tin học công nghiệp
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN
 Môn học để làm gì?
 Môn học này học những gì?
2
1/14/2015
Nội dung môn học
3
1/14/2015
NỘI DUNG MÔN HỌC
1
2
5
Giới thiệu chung và lịch sử phát triển của các hệ thống đo
và điều khiển công nghiệp
Cơ sở kĩ thuật truyền tin công nghiệp
Các thiết bị đo lường và chấp hành trong công nghiệp
3
4
7
Các bộ điều khiển khả trình
Các thiết bị giám sát trong công nghiệp
Một số hệ thống công nghiệp thực tế
6
Các giao thức công nghiệp tiêu biểu

 Giáo trình “Mạng thông tin công nghiệp” Hoàng Minh Sơn, nhà
xuất bản Khoa học và Kĩ thuật
 Giáo trình “Hệ thống thông tin công nghiệp’ Phạm Thượng Hàn
(chủ biên) Nhà xuất bản giáo dục
 Giáo trình “Cảm biến công nghiệp”
 Bài giảng “ Đo và điều khiển công nghiệp” bộ môn Kĩ thuật đo
và Tin học công nghiệp.
 ….
4
1/14/2015
Tài liệu tham khảo
5
1/14/2015
NỘI DUNG CHƯƠNG 1
1
Giới thiệu chung và lịch sử phát triển của các hệ thống
đo và điều khiển công nghiệp
Các thế hệ đo và điều khiển
Cấu trúc tổng quan của hệ đo và điều khiển công nghiệp
 Lịch sử phát triển của thiết bị đo và hệ thống thông tin
đo lường điều khiển
 Giai đoạn dụng cụ đo cơ điện riêng rẽ
 Giai đoạn dụng cụ đo tự động hoá
 Giai đoạn hệ thống thông tin đo lường điều khiển
(HTTTĐLĐK) tập trung
 Giai đoạn hệ thống đo lường & điều khiển phân tán
 Giai đoạn các HTTTĐLĐK hiện đại, tích hợp toàn diện
6
1/14/2015
1.1 Các thế hệ đo và điều khiển

Giai đoạn dụng cụ đo cơ điện riêng rẽ
 Cuối thế kỷ 19 con người đã phát minh ra cơ cấu điện từ và được
coi là dụng cụ đo điện đầu tiên.
 Đầu thế kỷ 20 ra đời dụng cụ đo từ điện như milivolmet, µAmpemet,
điện kế, điện kế xung kích; dụng cụ điện động (đo công suất) và
dụng cụ cảm ứng (trong các công tơ đếm điện năng)
 Để đo các đại lượng không điện, các cơ cấu từ điện được hoàn thiện
nâng cao độ nhạy và độ chính xác. Ra đời các điện kế, các
milivolmet để đo các đại lượng không điện.
 Năm 1954 xuất hiện dụng cụ đo từ động tự ghi bằng động cơ thuận
nghịch (servo motor): cầu từ động tự ghi, điện thế kế từ động tự ghi
đánh dấu cho việc tự động hoá các quá trình công nghiệp.
7
1/14/2015
1.1 Các thế hệ đo và điều khiển (2)
Giai đoạn dụng cụ đo tự động hoá
 Những năm 1960 đã xuất hiện các dụng cụ tự động hoá đầu
tiên nhưng chỉ là các dụng cụ tự động riêng rẽ.
 Các điện thế kế tự động cho phép đo điện áp của các nhiệt
ngẫu tự ghi số liệu và có đủ momen để đóng cắt các công tắc
để điều khiển
 Các dụng cụ tự động biến áp vi sai cho phép đo và điều khiển
áp suất, mức và lưu tốc trong công nghiệp.
 Các hệ tự động thống nhất hoá ra đời (DDZ) đo nhiệt độ, áp
suất với sai số 0.5 % ; biến đổi nhiệt độ, áp suất, lưu lượng với
đầu ra thống nhất hoá 0 – 5 mA và 0 – 10 mA.
8
1/14/2015
1.1 Các thế hệ đo và điều khiển (3)
Giai đoạn hệ thống thông tin đo lường điều khiển (HTTTĐLĐK) tập

trung
 Trong những năm 70 với sự ra đời của các IC, các máy tính mini đã
được thương phẩm hoá. Tuy giá vẫn còn đắt (khoảng 500 000USD)
nhưng cũng đã cho phép xử lý những bài toán điều khiển để tự động
hoá toàn bộ quá trình sản xuất phức tạp. HTTTĐLĐK tập trung ra đời.
 Trong HTTTĐLĐK đại lượng đo được thống nhất hoá (4 – 20mA) và tập
trung về đầu vào máy tính mini
 Trong thời kỳ này, triết lý module hoá được đặt ra rất cao và đã hình
thành các hệ thống thống nhất hoá như: hệ ГCП của Liên Xô, hệ
URSAMAT của Đông Đức, hệ Solation của Anh, hệ HP và hệ IBM của
Hoa Kỳ đặc biệt là hệ CAMAC là hệ điển hình module hoá của 7 nước
châu Âu.
9
1/14/2015
1.1 Các thế hệ đo và điều khiển (4)
Giai đoạn hệ thống đo lường & điều khiển phân tán
 Năm 1978 máy vi tính 8 bit đầu tiên ra đời mở đầu cho việc sử dụng
vi xử lý và vi điều khiển 8 bit vào quá trình sản xuất.
 Hệ thống đo lường điều khiển (tự động hoá các xí nghiệp công
nghiệp) được dựa trên cơ sở các PLC (Programable Logic
Controller). Trong những năm 80 và 90 của thế kỷ 20, các hệ từ
động hoá bằng PLC đã chiếm lĩnh hầu như toàn bộ phần tự động
hoá quá trình sản xuất.
 Các chức năng SCADA cũng dựa trên cơ sở này và phần giám sát,
điều khiển vận hành, quản lý thông tin, quản lý kỹ thuật đều được xử
lý trong các máy tính công nghiệp của các hãng, được thiết kế thích
ứng với điều kiện hoạt động công nghiệp.
10
1/14/2015
1.1 Các thế hệ đo và điều khiển (5)

Giai đoạn các HTTTĐLĐK hiện đại, tích hợp toàn diện
 Hệ thống đo và điều khiên trở thành hệ thống thông tin đo lường điều
khiển hiện đại (Advanced Instrumentation and Control System) với 5 triết
lý sau:
 Triết lý tích hợp.
 Triết lý về hệ thông minh (micro processor based): Một hệ dựa trên
cơ sở vi tính là hệ thông minh (ID)
 Triết lý về hệ phân bố (DCS) là quan hệ giữa phân bố và tập trung.
 Triết lý về module hoá
 Triết lý về hệ mở: Độc lập với người bán hàng (Independence
vendor)
Đánh giá một HTTTĐLĐK được xét trên 5 triết lý trên cộng thêm là tính
hiệu quả của hệ thống (dự trữ vận hành).
11
1/14/2015
1.1 Các thế hệ đo và điều khiển (6)
 Tích hợp trong mọi khâu của hệ thống. Hiện nay, trong mọi khâu của
hệ thống phải tích hợp 3 yếu tố:
 Chức năng
 Cấu trúc
 Thông tin
 Tích hợp với hệ thống mà nó phục vụ, nêu lên tính hiệu quả của
HTTTĐLĐK, đáp ứng mọi điều kiện mà hệ sản xuất yêu cầu trong mọi
tình huống trong điều kiện hoạt động
 Tích hợp toàn diện. Ý tưởng này ra đời với yêu cầu thông suốt về mọi
mặt giữa quản trị kinh doanh với giám sát, quản lý thông tin và kỹ thuật
của các xí nghiệp sản xuất, đảm bảo tính thông suốt về thông tin từ
dưới lên và điều khiển từ trên xuống
12
1/14/2015

Triết lý tích hợp.
Mt phn t có vi x lý hay mt ID đu có 4 quan h c bn:
 Quan hệ với đối tượng: Một ID có một hay nhiều đối tượng phục vụ,
nó phải tích hợp với đối tượng. Liên quan trực tiếp là hệ đo lường
(acquisition) và hệ thừa hành và điều chỉnh (actuator, regulator).
 Quan hệ với môi trường: ý nghĩa môi trường ở đây khá rộng, có thể
là môi trường thật nhưng thường là môi trường ảo.
 Quan hệ với người: Hệ thống quan hệ với người chủ yếu là giao tiếp
với người (HMI). Đó là những nội dung các dịch vụ cho người như
hiển thị , trao đổi người máy, ứng dụng trí tuệ nhân tạo, v.v…
 Quan hệ với hệ thống: Đây là nội dung về trao đổi thông tin, về vấn
đề tương thích, về giao thức, về ngôn ngữ, v.v…
13
1/14/2015
Triết lý về ID (intelligent device)
Hiện nay, triết lý này tương đối rõ ràng, đó là vấn đề phân cấp quản
lý. Hệ phân bố ngày nay được hiểu là khái niệm quan hệ giữa các
cấp với nhau với ý tưởng:
 Thu thập thông tin càng sát đối tượng càng tốt.
 Truyền tin theo yêu cầu của cấp trên, đảm bảo thời gian thực.
 Điều khiển theo yêu cầu của cấp trên, của hệ thống.
 Đảm bảo quan hệ giữa tập trung và phân bố.
 Các thừa hành phải đơn giản, kịp thời, hiệu quả.
 Thành lập các hệ cảm biến – thừa hành (actuator – sensor) thực
hiện điều khiển tại chỗ trên cơ sở vi hệ thống. Thông tin số hai
chiều trên và dưới được thông suốt.(transparent)
14
1/14/2015
Triết lý về hệ phân bố
 Triết lý này đã được đề ra và xây dựng từ thời các hệ thống

điều khiển tập trung và nhiều hệ thống thống nhất hóa ra đời
vào những năm 70 của thế kỷ 20.
 Tư tưởng modul hóa được mở rông sang phần mềm trở thành
các khối (block) trong phần mềm các PLC, phát triển đến các
công cụ ở cấp trên, được trao đổi mua bán như các modul
phần cứng.
 Lập trình hướng đối tượng, lập trình Graphic (đồ họa) cũng
nằm trong xu hướng này.
15
1/14/2015
Triết lý về modul hóa
 Khi phát triển các PLC, các nhà sản xuất và tích hợp hệ thống
chỉ quan tâm đến thuận lợi cho người sử dụng, đặt ra các ngôn
ngữ lập trình riêng thuận lợi cho các kỹ sư tự động hóa chuyển
sang lập trình
 Các hệ PLC khác nhau của các công ty khác nhau không
tương thích với nhau. Vì thế, việc sửa chữa, bảo dưỡng, phát
triển phụ thuộc vào nhà sản xuất. Người sử dụng có yêu cầu
về độc lập với nhà cung cấp. Yêu cầu về hệ mở bắt đầu do yêu
cầu của người sử dụng và trở thành một tiêu chí của hệ thống.
 Trong thập niên 90 và đầu năm 2000 rộ lên trào lưu nghiên
cứu hệ mở.
16
1/14/2015
Triết lý về hệ mở
17
1/14/2015
1.2 Cấu trúc tổng quan của hệ đo và điều khiển công nghiệp
Hệ thống đo và điều khiển công nghiệp có nhiệm vụ đảm bảo
cho các quá trình sản xuất công nghiệp luôn ổn định, theo đúng

quy trình công nghệ.
 Điều khiển
 Điều khiển các quá trình: điều khiển vòng kín, vòng hở
 Điều khiển logic: điều khiển logic, liên động, cảnh báo, an
toàn, tuần tự.
 Các chức năng điều khiển cao cấp
 Thu thập và quản lý dữ liệu
 Giao diện vận hành và giám sát
18
1/14/2015
Chức năng của hệ thống đo lường và điều khiển
 Xử lý thông tin tại hiện trường (phân tán) hay tập trung
 Nâng cao hiệu quả xử lý nhờ phân cấp, nâng cao độ tin cậy
nhờ xử lý song song
 Thuận tiện cho việc phát triển, tích hợp, bảo dưỡng thay thế
cấu trúc theo module
 Giảm thời gian phát triển ứng dụng
 Công nghệ VXL cho các thiết bị có khả năng xử lý thông tin
mạnh hơn
 Cho hệ thống mềm dẻo linh hoạt để thích ứng với sản xuất
hiện đại
19
1/14/2015
Yêu cầu của hệ thống đo lường và điều khiển
20
1/14/2015
Các hệ thống đo lường và điều khiển
 Hệ thống điều khiển cục bộ/điều khiển song song
21
1/14/2015

Cấu trúc hệ thống điều khiển
Hệ thống điều khiển cục bộ/điều khiển song song
 Cấu trúc cổ điển nhất
 Thường được sử dụng cho các hệ thống có quy mô vừa và
nhỏ, đặc viết trong các ngành công nghiệp chế tạo, lắp ráp
(các dây truyền song song với nhau độc lập)
 Có thể sử dụng kết hợp cấu trúc vào ra tập trung hoặc vào ra
trực tiếp với bus trường
 Các máy tính điều khiển làm việc độc lập với nhau => Độ tin
cậy cao
 Hoàn toàn không có sự phối hợp giữa chúng để cùng chia sẻ
giải quyết cùng một nhiệm vụ
22
1/14/2015
Cấu trúc hệ thống điều khiển
Cấu trúc điều khiển nối tiếp
 Nối dây truyền thống.
23
1/14/2015
Cấu trúc hệ thống điều khiển
Cấu trúc điều khiển nối tiếp
 Sử dụng bus trường
24
1/14/2015
Cấu trúc hệ thống điều khiển
 Kết nối vào ra với thiết bị thường và thiết bị bus trường
25
1/14/2015
Cấu trúc hệ thống điều khiển